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Physique-chimie (spécialité) Tˡᵉ

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Ondes : intensité sonore, atténuation et effet Doppler

Intensité sonore et niveau d’intensité sonore L = 10 log(I/I₀) ; addition des intensités de plusieurs sources ; atténuation en décibels, atténuation géométrique d’une source ponctuelle et atténuation par absorption ; effet Doppler, établissement et exploitation du décalage Doppler pour mesurer une vitesse, en acoustique et pour la lumière.

À propos de cette page
Dix-huit exercices corrigés de terminale, trois par cas, du plus simple au plus difficile : niveaux dans le hall d’une gare, micro et puissance reçue, haut-parleurs ajoutés, machines d’un atelier, raies d’une voix chantée, sirène isotrope, marteau-piqueur, casque antibruit, absorption par l’air, sirène d’alerte entendue au loin, démonstration du décalage Doppler, hélicoptère de secours, train qui traverse une gare, vitesse d’un gyropode et d’un sous-marin, étoile double.

18 exercices, classés par cas comme le cours. Écris ta réponse, puis « Vérifier ».

Cas 1Intensité sonore et niveau d’intensité sonore

Réflexe — Je forme le rapport I/I₀, sans unité, puis L = 10 log(I/I₀) ; dans l’autre sens, I = I₀ × 10^(L/10). Le logarithme est décimal. Revoir la méthode →

Exercice 1★★★Facile

Dans le hall d’une gare, un sonomètre affiche 58 dB au calme, puis 84 dB à l’arrivée d’un train. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².

  1. Intensité sonore à 58 dB : I₁ ≈ × 10⁻⁷ W·m⁻²
    I1=I0×10L/10=1,0×10−12×105,8≈ 6,3 × 10⁻⁷ W·m⁻².
  2. Intensité sonore à 84 dB : I₂ ≈ × 10⁻⁴ W·m⁻²
    I2=1,0×10−12×108,4≈ 2,5 × 10⁻⁴ W·m⁻².
  3. Facteur par lequel l’intensité a été multipliée : ≈ (arrondi à la centaine)
    I2I1=10(84−58)/10=102,6≈ 400, alors que le niveau n’a augmenté que de 26 dB.
  4. Niveau qui correspondrait à une intensité 1 000 fois plus faible que celle mesurée à l’arrivée du train : dB
    Diviser I par 1000=103 retire 10log(103)=30 dB : 84−30= 54 dB.
Exercice 2★★★Moyen

On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻². Les questions sont indépendantes.

  1. Dans une bibliothèque, I = 4,0 × 10⁻⁸ W·m⁻² : L ≈ dB (au dixième)
    L=10log(4,0×10−81,0×10−12)=10log(4,0×104)≈ 46,0 dB.
  2. Un élève calcule 10 ln(I/I₀) pour la même bibliothèque, avec la touche « ln » : il trouve ≈ dB (au dixième)
    10ln(4,0×104)≈ 106,0 : valeur fausse, plus de deux fois trop grande. La définition utilise le logarithme décimal.
  3. Près d’un avion à réaction au décollage, L = 130 dB : I = W·m⁻²
    I=1,0×10−12×1013= 10 W·m⁻² : dix fois l’intensité du seuil de douleur (120 dB, 1,0 W·m⁻²), pour 10 dB de plus seulement.
  4. Une intensité de 5,0 × 10⁻¹³ W·m⁻² correspond à L ≈ dB (au dixième)
    L=10log(0,50)≈ −3,0 dB : un niveau négatif signifie une intensité inférieure à I0, inaudible à 1 000 Hz.
  5. Le niveau passe de 46 dB à 76 dB : l’intensité est multipliée par
    +30 dB, soit 1030/10=103 : l’intensité est multipliée par 1 000.
Exercice 3★★★Difficile

La membrane d’un microphone, de surface S=1,5 cm², est perpendiculaire à la direction de propagation d’un son. Elle reçoit une puissance sonore P=5,4×10−11 W. On donne I0=1,0×10−12 W·m⁻².

  1. Intensité sonore reçue : I = × 10⁻⁷ W·m⁻²
    S=1,5×10−4 m² ; I=PS=5,4×10−111,5×10−4= 3,6 × 10⁻⁷ W·m⁻². Les cm² se convertissent en m² : 1 cm² = 10⁻⁴ m².
  2. Niveau d’intensité sonore : L ≈ dB (au dixième)
    L=10log(3,6×105)≈ 55,6 dB.
  3. Pour que l’auditeur perçoive ce son « deux fois plus fort », le niveau doit atteindre ≈ dB (au dixième)
    Un son paraît deux fois plus fort pour environ +10 dB : 65,6 dB.
  4. Puissance alors reçue par la membrane : P = nW (au centième)
    +10 dB multiplie l’intensité, donc la puissance reçue par la même surface, par 10 : P=5,4×10−10 W, soit 0,54 nW.
  5. Niveau pour lequel la membrane recevrait 1,0 µW : L ≈ dB (au dixième)
    I=1,0×10−61,5×10−4≈6,67×10−3 W·m⁻², puis L=10log(II0)≈ 98,2 dB : un son très fort, au-delà du seuil de risque.

Cas 2Plusieurs sources : additionner les intensités

Réflexe — Niveaux → intensités (I = I₀ × 10^(L/10)) → somme → niveau total ; N sources identiques ajoutent 10 log N. On n’additionne jamais des décibels. Revoir la méthode →

Exercice 4★★★Facile

Un haut-parleur seul produit, en un point d’une salle, un niveau d’intensité sonore de 73 dB. On ajoute d’autres haut-parleurs identiques, placés au même endroit.

  1. Avec deux haut-parleurs : L = dB
    L’intensité double : L=73+10log2≈73+3,0= 76 dB, et non 146 dB.
  2. Avec quatre haut-parleurs : L = dB
    L=73+10log4≈73+6,0= 79 dB.
  3. Nombre de haut-parleurs pour atteindre 83 dB :
    +10 dB = intensité multipliée par 10 : il faut 10 haut-parleurs.
  4. Avec huit haut-parleurs : L = dB (à l’unité)
    L=73+10log8≈73+9,0= 82 dB : chaque doublement du nombre de sources ajoute 3 dB.
Exercice 5★★★Moyen

Dans un atelier, une machine A produit seule un niveau de 88 dB au poste de travail, une machine B seule 91 dB au même endroit. À partir de 85 dB(A) d’exposition quotidienne, le Code du travail impose à l’employeur un programme de mesures pour réduire l’exposition. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².

  1. Intensité due à la machine A : I_A ≈ × 10⁻⁴ W·m⁻²
    IA=1,0×10−12×108,8≈ 6,3 × 10⁻⁴ W·m⁻².
  2. Intensité due à la machine B : I_B ≈ × 10⁻³ W·m⁻²
    IB=1,0×10−12×109,1≈ 1,3 × 10⁻³ W·m⁻².
  3. Les deux machines ensemble : L ≈ dB (au dixième)
    Les intensités s’additionnent : I=IA+IB≈1,89×10−3 W·m⁻², d’où L≈ 92,8 dB : 1,8 dB seulement au-dessus de la machine B.
  4. Facteur par lequel il faudrait diviser l’intensité totale pour revenir à 85 dB : ≈ (deux chiffres significatifs)
    II0×108,5=1,89×10−33,16×10−4≈ 6,0.
  5. Atténuation correspondante : ≈ dB (au dixième)
    A=10log(5,98)≈ 7,8 dB, c’est aussi 92,8 − 85 : capotage des machines ou protections auditives sont nécessaires.
Exercice 6★★★Difficile

Une chanteuse tient une note devant un microphone relié à un analyseur de spectre, qui relève quatre raies : 233 Hz à 78 dB, 466 Hz à 72 dB, 699 Hz à 69 dB et 932 Hz à 61 dB. Comme pour des sources indépendantes, les intensités des raies s’additionnent. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².

  1. Intensité de la raie à 233 Hz : × 10⁻⁵ W·m⁻²
    I1=1,0×10−12×107,8≈ 6,31 × 10⁻⁵ W·m⁻².
  2. Intensité totale des quatre raies : × 10⁻⁵ W·m⁻²
    I2≈1,58×10−5, I3≈7,94×10−6, I4≈1,26×10−6 W·m⁻² ; somme : 8,81 × 10⁻⁵ W·m⁻².
  3. Niveau total : dB (à l’unité)
    L=10log(8,81×107)≈79,45, soit 79 dB : à peine plus que la raie la plus forte.
  4. Une deuxième chanteuse chante la même note au même niveau : total ≈ dB (à l’unité)
    Deux sources identiques : +10log2≈+3,0 dB, soit 79,45+3,0≈ 82 dB.
  5. Pour une seule chanteuse, un filtre supprime la raie à 233 Hz : niveau des trois autres ≈ dB (au dixième)
    I=I2+I3+I4≈2,51×10−5 W·m⁻² ; L≈ 74,0 dB : la raie la plus forte portait plus des deux tiers de l’intensité.
  6. Un élève additionne les quatre niveaux et obtient dB, une valeur absurde
    78+72+69+61= 280 dB, bien au-delà du seuil de douleur : les décibels ne s’additionnent pas.

Cas 3Atténuation et atténuation géométrique

Réflexe — A = L₁ − L₂ = 10 log(I₁/I₂) ; source ponctuelle isotrope : I = P/(4πd²) et A = 20 log(d₂/d₁) ; l’intensité est divisée par 10^(A/10). Revoir la méthode →

Exercice 7★★★Facile

Les questions sont indépendantes ; les sources sont ponctuelles et isotropes, sans absorption.

  1. 94 dB en un point 1, 79 dB en un point 2 : atténuation A = dB
    A=L1−L2=94−79= 15 dB.
  2. Pour cette atténuation, l’intensité est divisée par ≈ (à l’unité)
    I1I2=1015/10=101,5≈ 32.
  3. La distance à la source est multipliée par 4 : A = dB (au dixième)
    A=20log4≈ 12,0 dB : l’intensité est divisée par 42=16.
  4. L’intensité est divisée par 1 000 : A = dB
    A=10log(1000)= 30 dB.
  5. Une atténuation géométrique de 40 dB : la distance a été multipliée par
    20log(d2d1)=40, donc log(d2d1)=2 et d2d1= 100.
Exercice 8★★★Moyen

Une sirène d’alarme, assimilée à une source ponctuelle isotrope, rayonne une puissance sonore P = 1,8 W. On néglige l’absorption et les réflexions ; I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².

  1. Intensité à 5,0 m : I ≈ × 10⁻³ W·m⁻²
    I=P4πd2=1,84π×5,02≈ 5,73 × 10⁻³ W·m⁻².
  2. Niveau à 5,0 m : L ≈ dB (au dixième)
    L=10log(5,73×109)≈ 97,6 dB, au-dessus du seuil de risque.
  3. Distance à laquelle le niveau n’est plus que de 74 dB : d ≈ m (à l’unité)
    I′=I0×107,4≈2,51×10−5 W·m⁻², puis d′=P4πI′≈75,5 m, soit environ 76 m.
  4. Atténuation entre 5,0 m et cette distance : ≈ dB (au dixième)
    A=97,6−74≈ 23,6 dB ; vérification : 20log(75,55,0)≈23,6 dB.
Exercice 9★★★Difficile

Un marteau-piqueur, assimilé à une source ponctuelle isotrope, produit un niveau d’intensité sonore L₁ = 108 dB à 1,0 m de l’outil. Un riverain habite à 45 m. On néglige l’absorption ; I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².

  1. Intensité à 1,0 m : I₁ ≈ × 10⁻² W·m⁻²
    I1=1,0×10−12×1010,8≈ 6,31 × 10⁻² W·m⁻².
  2. Puissance sonore du marteau-piqueur : P ≈ W (au centième)
    À 1,0 m, toute la puissance traverse la sphère de rayon 1,0 m : P=I1×4π×1,02≈ 0,79 W. Moins d’un watt suffit à faire un vacarme.
  3. Niveau chez le riverain : ≈ dB (au dixième)
    I(d)I1=1,02d2, donc L(d)=L1−20logd (d en mètres) : L(45)=108−20log45≈ 74,9 dB.
  4. Distance minimale pour rester sous 80 dB : ≈ m (au dixième)
    108−20logd=80, donc logd=1,4 et d=101,4≈ 25,1 m : impossible pour l’ouvrier qui tient l’outil, d’où la protection auditive obligatoire.
  5. Un deuxième marteau-piqueur identique travaille à côté du premier : niveau chez le riverain ≈ dB (à l’unité)
    Deux sources identiques : +3,0 dB, soit 74,9+3,0≈ 78 dB.

Cas 4Atténuation par absorption

Réflexe — Les atténuations s’ajoutent en décibels : L₂ = L₁ − A_géom − A_abs ; dans l’air, A_abs = α × d, avec α en dB/km, plus grand pour les aigus. Revoir la méthode →

Exercice 10★★★Facile

Un menuisier travaille près d’une ponceuse à bande : 102 dB à son poste. Il porte un casque antibruit annoncé pour une atténuation de 27 dB.

  1. Niveau qui parvient à ses oreilles : dB
    L=102−27= 75 dB : on retire l’atténuation, on ne divise pas le niveau.
  2. Facteur de division de l’intensité : ≈ (à l’unité)
    1027/10=102,7≈ 501.
  3. Fraction de l’intensité qui atteint l’oreille : ≈ % (au centième)
    1501≈0,0020, soit 0,20 % : le casque absorbe ou renvoie presque toute l’énergie sonore.
  4. Entre la ponceuse et un collègue, on place deux plaques identiques atténuant chacune de 9 dB : atténuation totale dB
    Les atténuations successives s’ajoutent : 9+9= 18 dB.
  5. Ces deux plaques divisent l’intensité par ≈ (à l’unité)
    Les facteurs se multiplient : 100,9×100,9=101,8≈ 63, et non 2×100,9≈16.
Exercice 11★★★Moyen

Dans l’air à 20 °C et 70 % d’humidité, le coefficient d’absorption vaut α = 5,0 dB/km à 1 000 Hz et α = 23 dB/km à 4 000 Hz. Une source ponctuelle isotrope émet ces deux sons au même niveau : 100 dB à 10 m. Un auditeur est à 1 500 m ; on applique l’absorption sur 1,5 km.

  1. Atténuation géométrique entre 10 m et 1 500 m : ≈ dB (au dixième)
    Agéom=20log(150010)=20log150≈ 43,5 dB, la même pour les deux sons.
  2. Absorption par l’air à 1 000 Hz : dB (au dixième)
    Aabs=αd=5,0×1,5= 7,5 dB.
  3. Niveau reçu à 1 000 Hz : ≈ dB (au dixième)
    L=100−43,5−7,5≈ 49,0 dB.
  4. Niveau reçu à 4 000 Hz : ≈ dB (au dixième)
    Aabs=23×1,5=34,5 dB, donc L=100−43,5−34,5≈ 22,0 dB.
  5. De loin, le son a surtout perdu ses (graves / aigus)
    L’air absorbe bien davantage les hautes fréquences : à 1 500 m, le son de 4 000 Hz est 27 dB sous celui de 1 000 Hz, alors qu’ils avaient le même niveau à 10 m. Le son lointain a surtout perdu ses aigus : il paraît plus sourd.
Exercice 12★★★Difficile

Une sirène d’alerte, assimilée à une source ponctuelle isotrope, produit 112 dB à 20 m pour son son de 1 000 Hz. Une maison est à 1,6 km de la sirène. Dans l’air, α = 5,0 dB/km à 1 000 Hz (absorption appliquée sur 1,6 km). Les fenêtres fermées apportent une atténuation de 28 dB ; dans la maison, le bruit de fond vaut 30 dB.

  1. Atténuation géométrique entre 20 m et 1,6 km : ≈ dB (au dixième)
    20log(160020)=20log80≈ 38,1 dB.
  2. Absorption par l’air : dB (au dixième)
    5,0×1,6= 8,0 dB.
  3. Niveau devant la maison : ≈ dB (au dixième)
    112−38,1−8,0≈ 65,9 dB.
  4. Niveau dû à la sirène dans la maison, fenêtres fermées : ≈ dB (au dixième)
    65,9−28≈ 37,9 dB.
  5. Niveau total dans la maison, bruit de fond compris : ≈ dB (au dixième)
    On additionne les intensités : I=10−12×(103,794+103,0)≈7,22×10−9 W·m⁻², soit 38,6 dB : la sirène dépasse nettement le bruit de fond, l’alerte est entendue.

Cas 5L’effet Doppler : observer, interpréter, établir

Réflexe — Émetteur qui se rapproche : crêtes resserrées, λ_R = (v − v_E)T_E et fréquence reçue plus grande ; qui s’éloigne : λ_R = (v + v_E)T_E et fréquence reçue plus petite. Revoir la méthode →

Exercice 13★★★Facile

Un hélicoptère de secours survole une route en ligne droite, à vitesse constante et à faible hauteur, en émettant un son de fréquence f_E. Réponds par « supérieure », « inférieure » ou « égale », ou par le mot demandé.

  1. Pour le pilote, la fréquence perçue est à f_E
    Le pilote est immobile par rapport à l’émetteur : aucun effet Doppler, fréquence égale.
  2. Pour un piéton vers lequel l’hélicoptère arrive, la fréquence perçue est à f_E
    L’émetteur se rapproche : crêtes resserrées, fréquence reçue supérieure, son plus aigu.
  3. Une fois l’hélicoptère passé, la fréquence perçue par ce piéton est à f_E
    L’émetteur s’éloigne : crêtes espacées, fréquence inférieure, son plus grave.
  4. Devant l’hélicoptère, la longueur d’onde reçue est plus (courte / longue) que la longueur d’onde émise
    λR=(v−vE)TE<vTE : plus courte.
  5. L’hélicoptère se pose à 50 m du piéton, moteur allumé : la fréquence perçue redevient à f_E
    Émetteur et récepteur sont immobiles l’un par rapport à l’autre : fréquence égale, même si le son reste fort.
Exercice 14★★★Moyen

Un émetteur E émet un son de fréquence fE=500 Hz en se rapprochant d’un micro fixe R à la vitesse vE=20 m·s⁻¹ ; la célérité du son vaut v=340 m·s⁻¹. On suit le raisonnement du cours.

  1. Période émise : T_E = ms
    TE=1500=2,00×10−3 s = 2,00 ms.
  2. Distance parcourue par une crête pendant T_E : m
    vTE=340×2,00×10−3= 0,680 m.
  3. Distance parcourue par l’émetteur pendant T_E : m
    vETE=20×2,00×10−3= 0,0400 m.
  4. Distance entre deux crêtes reçues : λ_R = m
    λR=(v−vE)TE=0,680−0,0400= 0,640 m.
  5. Fréquence reçue : f_R ≈ Hz (à l’unité)
    fR=vλR=3400,640≈ 531 Hz, comme fEvv−vE=500×340320.
  6. Décalage Doppler : Δf ≈ Hz (à l’unité)
    Δf=fR−fE≈ +31 Hz, positif car l’émetteur se rapproche.
Exercice 15★★★Difficile

Un train à grande vitesse traverse une gare sans s’arrêter, en ligne droite, à vE=60 m·s⁻¹ ; son avertisseur émet un son de fréquence fE=1200 Hz. Un voyageur attend sur le quai ; v=340 m·s⁻¹. On considère les instants où le train est encore loin du voyageur, en approche, puis loin après son passage.

  1. Fréquence reçue en approche : f_R ≈ Hz (à l’unité)
    fR=1200×340340−60≈ 1 457 Hz.
  2. Fréquence reçue en éloignement : f_R = Hz
    fR=1200×340340+60= 1 020 Hz.
  3. Décalage Doppler en approche : Δf ≈ + Hz (à l’unité)
    Δf=fEvEv−vE=1200×60280≈ +257 Hz.
  4. Décalage Doppler en éloignement : Δf = − Hz
    Δf=−fEvEv+vE=−1200×60400= −180 Hz : les deux décalages ne sont pas opposés.
  5. Valeur approchée f_E × v_E / v : ≈ Hz (à l’unité)
    1200×60340≈ 212 Hz.
  6. Écart relatif entre cette valeur et le décalage exact en approche : ≈ % (à l’unité)
    257,1−211,8257,1≈0,18, soit 18 % : vE n’est pas assez petite devant v pour utiliser l’approximation.

Cas 6Exploiter le décalage Doppler : mesurer une vitesse

Réflexe — En approche : v_E = v (f_R − f_E)/f_R ; en éloignement : v_E = v (f_E − f_R)/f_R. Pour la lumière : |Δλ|/λ_E ≈ v_E/c, décalage vers le rouge si la source s’éloigne. Revoir la méthode →

Exercice 16★★★Facile

Un gyropode porte un avertisseur qui émet un son de fréquence fE=1500 Hz ; v=340 m·s⁻¹. Un micro fixe enregistre le son.

  1. Le gyropode s’approche et le micro reçoit 1 506 Hz : v_E ≈ m·s⁻¹ (au dixième)
    vE=vfR−fEfR=340×1506−15001506≈ 1,4 m·s⁻¹.
  2. Cette vitesse vaut ≈ km·h⁻¹ (à l’unité)
    1,35×3,6≈ 5 km·h⁻¹, une allure de marche.
  3. Un élève divise par f_E au lieu de f_R : il trouve m·s⁻¹ (au centième)
    340×61500= 1,36 m·s⁻¹, au lieu de 1,35 m·s⁻¹ : l’écart est faible ici car vE≪v, mais la formule exacte divise par fR.
  4. Le gyropode s’éloigne ensuite à la même vitesse : le micro reçoit ≈ Hz (à l’unité)
    fR=1500×340340+1,35≈ 1 494 Hz.
Exercice 17★★★Moyen

Un sous-marin émet sous l’eau un signal de fréquence fE=5,000 kHz. Un hydrophone fixe, vers lequel il se dirige, reçoit fR=5,050 kHz. Dans l’eau de mer, v=1500 m·s⁻¹ ; dans l’air, 340 m·s⁻¹.

  1. Vitesse du sous-marin : v_E ≈ m·s⁻¹ (au dixième)
    vE=1500×5050−50005050≈ 14,9 m·s⁻¹.
  2. Vitesse du sous-marin en km·h⁻¹ : ≈ (à l’unité)
    14,85×3,6≈ 53 km·h⁻¹.
  3. Longueur d’onde reçue par l’hydrophone : ≈ cm (au dixième)
    λR=vfR=15005050≈0,297 m, soit 29,7 cm (contre 30,0 cm émis).
  4. Avec la même vitesse, un son de 5,000 kHz émis dans l’air serait reçu à ≈ Hz (à l’unité)
    fR=5000×340340−14,85≈ 5 228 Hz : le décalage est bien plus grand dans l’air, où la célérité est plus faible.
Exercice 18★★★Difficile

Dans le spectre d’une étoile d’un système double, on suit une raie du sodium de longueur d’onde λE=589,00 nm au laboratoire. Un premier soir, elle est mesurée à 588,90 nm ; six jours plus tard, à 589,16 nm. On donne c=3,00×108 m·s⁻¹.

  1. Premier soir : Δλ = nm
    Δλ=λR−λE=588,90−589,00= −0,10 nm.
  2. Ce premier soir, l’étoile (se rapproche / s’éloigne)
    Δλ<0 : décalage vers le bleu, l’étoile se rapproche.
  3. Vitesse radiale ce soir-là : ≈ km·s⁻¹ (à l’unité)
    v≈c|Δλ|λE=3,00×108×0,10589,00≈5,1×104 m·s⁻¹, soit 51 km·s⁻¹.
  4. Six jours plus tard, elle s’éloigne à ≈ km·s⁻¹ (à l’unité)
    Δλ=+0,16 nm (vers le rouge) : v≈3,00×105×0,16589,00≈ 81 km·s⁻¹. Le sens change : l’étoile tourne autour de sa compagne.
  5. Premier soir, décalage en fréquence : Δf ≈ + × 10¹⁰ Hz
    fE=cλE≈5,09×1014 Hz et |Δf|≈fEvc=fE|Δλ|λE≈ 8,6 × 10¹⁰ Hz, positif : la fréquence augmente quand la source se rapproche.
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